Computere, der efterligner hjernens funktion

Forskere søger altid efter forbedrede teknologier, men den mest effektive computer findes allerede. Den kan lære og tilpasse sig uden at skulle programmeres eller opdateres. Den har næsten ubegrænset hukommelse, er svært at styrte ned, og arbejder med ekstremt høje hastigheder. Det er ikke en Mac eller en pc; det er den menneskelige hjerne. Og videnskabsmænd over hele verden ønsker at efterligne dens evner.

Både akademiske og industrielle laboratorier arbejder på at udvikle computere, der fungerer mere som den menneskelige hjerne. I stedet for at fungere som en konventionel, digitalt system, disse nye enheder kunne potentielt fungere mere som et netværk af neuroner.

"Computere er meget imponerende på mange måder, men de er ikke lig med sindet, " sagde Mark Hersam, Bette og Neison Harris-lærestolen i Teaching Excellence ved Northwestern University's McCormick School of Engineering. "Neuroner kan opnå meget kompliceret beregning med meget lavt strømforbrug sammenlignet med en digital computer."

Et hold nordvestlige forskere, inklusive Hersam, har opnået et nyt skridt fremad inden for elektronik, der kunne bringe hjernelignende computere tættere på virkeligheden. Holdets arbejde fremmer hukommelsesmodstande, eller "memristorer, " som er modstande i et kredsløb, der "husker", hvor meget strøm der er løbet igennem dem.

Forskningen er beskrevet i 6. april-udgaven af Natur nanoteknologi . Tobin Marks, Vladimir N. Ipatieff professor i katalytisk kemi, og Lincoln Lauhon, professor i materialevidenskab og teknik, er også forfattere på papiret. Vinod Sangwan, en postdoc-stipendiat medrådgivning af Hersam, mærker, og Lauhon, fungerede som førsteforfatter. De resterende medforfattere - Deep Jariwala, I Soo Kim, og Kan-Sheng Chen - er medlemmer af Hersam, mærker, og/eller Lauhon-forskningsgrupper.

"Memristorer kunne bruges som et hukommelseselement i et integreret kredsløb eller computer, " sagde Hersam. "I modsætning til andre minder, der findes i dag i moderne elektronik, memristorer er stabile og husker deres tilstand, selvom du mister magten."

Nuværende computere bruger RAM (Random Access Memory), som bevæger sig meget hurtigt, mens en bruger arbejder, men ikke beholder ikke-gemte data, hvis strømmen går tabt. Flash-drev, på den anden side, gemme oplysninger, når de ikke er strømførende, men arbejder meget langsommere. Memristorer kunne give en hukommelse, der er det bedste fra begge verdener:hurtig og pålidelig. Men der er et problem:memristorer er elektroniske enheder med to terminaler, som kun kan styre én spændingskanal. Hersam ønskede at omdanne den til en tre-terminal enhed, gør det muligt at bruge det i mere komplekse elektroniske kredsløb og systemer.

Hersam og hans team klarede denne udfordring ved at bruge enkeltlags molybdændisulfid (MoS2), en atomisk tynd, todimensionel nanomateriale halvleder. Meget ligesom den måde, fibre er arrangeret i træ, atomer er arrangeret i en bestemt retning - kaldet "korn" - i et materiale. Arket af MoS2, som Hersam brugte, har en veldefineret korngrænse, som er grænsefladen, hvor to forskellige korn kommer sammen.

"Fordi atomerne ikke er i samme orientering, der er utilfredse kemiske bindinger ved den grænseflade, " Hersam forklarede. "Disse korngrænser påvirker strømstrømmen, så de kan tjene som et middel til at justere modstand."

Når et stort elektrisk felt påføres, korngrænsen flyttes bogstaveligt talt, forårsager en ændring i modstand. Ved at bruge MoS2 med denne korngrænsedefekt i stedet for den typiske metal-oxid-metal memristor struktur, holdet præsenterede en ny tre-terminal memristiv enhed, der er bredt tunerbar med en gate-elektrode.

"Med en memristor, der kan indstilles med en tredje elektrode, vi har mulighed for at realisere en funktion, du ikke tidligere kunne opnå, " sagde Hersam. "En tre-terminal memristor er blevet foreslået som et middel til at realisere hjernelignende databehandling. Vi undersøger nu aktivt denne mulighed i laboratoriet."